聚乙烯微塑料-草甘膦对鲤的毒性效应及其生物降解初探

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微塑料(Microplastics,MPs)和草甘膦(Glyphosate,GLY)在全球范围内广泛应用,大量存在于海洋、陆地和淡水环境中。MPs不仅可以直接影响水生生物,还可与其它污染物相互作用形成复合污染。然而,迄今为止,很少有MPs与GLY联合暴露对水生生物的风险评估研究。此外,世界各国都在采取相应措施,想要从源头上减少MPs的污染以及对环境中的塑料进行降解。但就目前而言,环境中MPs的生物降解或许是一种有前途的解决方案。本研究以鲤(Cyprinus carpio L.)为动物模型,研究了聚乙烯微塑料(PE-MPs,占食物重量3%、9%)和GLY(5、15 mg/L)单一及联合暴露60天对鲤的毒性效应;使用鲤上皮瘤细胞系(Epithelioma papulosum cyprinid,EPC)验证了GLY在细胞层面的潜在影响;基于生化分析和微生物学技术进行PE-MPs潜在降解菌的筛选和验证。主要研究结果如下:(1)个体层次的影响:在鲤肠道中发现了MPs的积蓄,并且MPs-GLY显著抑制鲤生长发育,这种抑制效应在高浓度MPs暴露时更明显。此外,MPs-GLY暴露还会影响鲤的自发行为,具体表现为游泳速度下降、平均加速度减小。(2)组织层次的影响:研究了MPs-GLY对鲤鱼肠-肝-脑轴的毒性效应。结果表明,MPs-GLY暴露引起肠道、肝脏和大脑不同程度的氧化应激,增加了脂质过氧化水平,诱导了炎症反应和组织病理损伤。此外,GLY暴露显著降低了肠道和大脑紧密连接蛋白基因(occludin,claudin-2和ZO-1)的表达水平,抑制了大脑乙酰胆碱酯酶(ACh E)活性,而MPs对鲤肠道屏障有更明显的损伤作用。肠道微生物组学和代谢组学分析显示,MPs-GLY可以导致微生物群的丰度和多样性明显改变,引发肠道代谢紊乱,主要差异代谢物与氨基酸及脂质代谢相关。(3)GLY对EPC细胞的影响:体外实验证明,暴露于0.65和3.25 mg/L GLY 24和48 h后,对EPC细胞造成了增殖毒性。在暴露24小时后,诱导了EPC细胞DNA损伤、线粒体功能障碍和活性氧(ROS)的产生。(4)PE-MPs潜在降解菌的筛选:以PE-MPs为碳源的无机培养基进行初步培养,筛选出的菌株为黑曲霉菌(Aspergillus niger)。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证明了黑曲霉菌可以通过生物过程在PE-MPs的化学结构中引入新的基团,这些基团分子运动更强、增加了PE-MPs的极性从而使聚合物更加不稳定,易于降解。MPs与其它环境污染物的联合暴露是一种更贴近现实的情景,对水生生物的毒理效应测定更有实际意义。本研究证明了MPs-GLY暴露对鲤肠-肝-脑轴不同程度的毒性效应,发现MPs在肠道损伤中起关键作用,而GLY则对肝脏和大脑健康影响更多。通过分析多种生物标志物,在生物个体层次、组织层次尽可能完善相关研究,并且还为GLY的细胞毒性研究提供了相关信息。MPs-GLY在个体、组织、基因水平对水生生物引起了多种影响,突出了在它们的长期暴露下生物体健康状况的潜在风险。这些研究进一步丰富和完善了MPs-GLY对鱼类毒性的作用机制,对MPs-GLY的风险评估和人类健康保护有一定参考价值。最后,我们在分子结构层次上探索了黑曲霉菌对PE-MPs的降解效应,强调了黑曲霉菌在MPs生物降解方面的潜力,响应了当前尽量减少这些惰性材料在环境中存在的迫切需求,为进一步研究PE-MPs的降解机制以及开发生物降解产品提供了初步依据。
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